DE102015211531B4 - Electric motor with variable motor constant, actuator with the electric machine and method for varying the motor constant of the electric machine - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine (2) mit einem Stator (3) und einen im Stator (3) drehbar gelagerten Rotor (4), wobei eine Spindel (12) durch die elektrische Maschine (2) geführt ist, und mindestens eine in die elektrische Maschine (2) einbringbare magnetflussleitende Baugruppe (8) vorgesehen ist, wobei die magnetflussleitende Baugruppe (8) linear verlagerbar auf der Spindel (12) angeordnet ist, um infolge einer Verlagerung in die elektrische Maschine (2) eine Motorkonstante der elektrischen Maschine (1) zu variieren.Electric machine (2) with a stator (3) and a rotor (4) rotatably mounted in the stator (3), wherein a spindle (12) is guided by the electric machine (2), and at least one in the electric machine (2 ) is provided, wherein the magnetic flux conducting assembly (8) is arranged linearly displaceable on the spindle (12) to vary as a result of a shift in the electric machine (2) an engine constant of the electric machine (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit variabler Motorkonstante. Ferner betrifft die Erfindung einen Aktor aufweisend die elektrische Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Variation der Motorkonstante der elektrischen Maschine.The invention relates to an electric machine with variable motor constant. Furthermore, the invention relates to an actuator having the electric machine. Moreover, the invention relates to a method for varying the motor constant of the electric machine.
Eine Vielzahl von elektro-mechanischen Wirkmechanismen rund um und in Automobilen wird mit Elektromotoren angesteuert. Darüber hinaus sind Elektromotoren auch in einer Vielzahl anderer elektrischer Maschinen und technischen Bereichen einsetzbar.A variety of electro-mechanical mechanisms of action around and in automobiles are controlled by electric motors. In addition, electric motors can also be used in a variety of other electrical machines and technical fields.
Eine Motorkonstante, auch Spannungskonstante oder Drehmomentkonstante genannt, ist maßgeblich für das elektromechanische Verhalten von elektrischen Maschinen verantwortlich. Für gewöhnlich ist die Motorkonstante eine feste maschinenbezogene Größe, die nur im Rahmen mit einem sogenannten Feldschwächebetrieb verändert werden kann. Allerdings ist mit dem Feldschwächebetrieb lediglich eine Verringerung der Motorkonstante möglich.An engine constant, also called voltage constant or torque constant, is largely responsible for the electromechanical behavior of electrical machines. Usually, the motor constant is a fixed machine-related quantity that can only be changed in the context of a so-called field weakening operation. However, only a reduction of the motor constant is possible with the field weakening operation.
Je nach Größe der Motorkonstante ist die elektrische Maschine in der Lage eine höhere maximale Drehzahl oder ein größeres maximales Drehmoment zu erzeugen.Depending on the size of the motor constant, the electric machine is able to produce a higher maximum speed or a larger maximum torque.
Das Drehmoment einer elektrischen Maschine ist grundsätzlich von seinem eingestellten Arbeitspunkt abhängig, d. h. das Drehmoment ist eine Funktion von der Drehzahl. Der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Drehmoment wird bei der elektrischen Maschine über die sogenannte Motorkonstante (Drehmomentkonstante) wiedergegeben und ist in der Regel eine steigungsbehaftete Gerade.The torque of an electric machine is basically dependent on its set operating point, d. H. the torque is a function of the speed. The relationship between speed and torque is reproduced in the electric machine via the so-called motor constant (torque constant) and is usually a gradient straight line.
Eine große Motorkonstante führt zu einem hohen Drehmoment bei einer gleichzeitig geringen maximalen Drehzahl. Bei einem elektrischen Zentralausrücker kann die Motorkonstante beispielsweise 0,065 Nm/A betragen. Eine kleine Motorkonstante führt zu einem kleineren maximalen Drehmoment aber zu einer größeren maximalen Drehzahl. Bei einem hydrostatischen Kupplungsaktor kann die Motorkonstante beispielsweise 0,027 Nm/A betragen.A large motor constant leads to a high torque at a simultaneously low maximum speed. For example, in the case of an electric central release, the engine constant may be 0.065 Nm / A. A small motor constant results in a smaller maximum torque but at a higher maximum speed. For example, in a hydrostatic clutch actuator, the engine constant may be 0.027 Nm / A.
Es existieren bereits Ansätze, die Motorkonstante über mechanische Verstellmechanismen zu verändern: „Classification of field-weakening solutions and novel PM machine with adjustable excitation” by H. Woehl-Bruhn, IEEE Paper, XIX International Conference on Electrical Machines – ICEM 2010, Rom”. Je nach Stellung der vorhandenen drehbeweglichen Magnete der elektrischen Maschine lässt sich die Motorkonstante verstärken oder schwächen. Nachteilig bei dieser vorgestellten Methode ist, dass die Motorkonstante nicht während des Betriebs verändert werden kann.There are already approaches to change the motor constant by means of mechanical adjustment mechanisms: "Classification of field-weakening solutions and novel PM machines with adjustable excitation" by H. Woehl-Bruhn, IEEE Paper, XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, Rome " , Depending on the position of the existing rotatable magnets of the electric machine, the motor constant can be strengthened or weakened. A disadvantage of this presented method is that the motor constant can not be changed during operation.
Durch die vorgegebene Maschinentopologie sind die Motorkonstanten in der Regel fest vorgegeben und können nur mit Hilfe von regelungstechnischen Methoden verändert werden. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Motorkonstante an die unterschiedlichen Belastungszustände anzupassen. Das bedeutet, dass es Betriebspunkte innerhalb eines Zyklus gibt, in denen eine hohe Drehzahl benötigt wird und es gibt ebenso Betriebspunkt in denen ein hohes Drehmoment notwendig ist.Due to the given machine topology, the motor constants are usually fixed and can only be changed with the aid of control engineering methods. In many cases, it is advantageous to adapt the motor constant to the different load conditions. This means that there are operating points within a cycle where a high speed is needed and there is also an operating point where high torque is required.
Typischerweise wird ein Kompromiss zwischen zwei Betriebspunkten für die Motorauslegung eingegangen, um die beiden Arbeitspunkte bedienen zu können. Dabei muss der Widerspruch zwischen zu geringem Drehmoment und zu geringer Dynamik gelöst werden.Typically, a compromise is made between two engine design operating points to serve the two operating points. The contradiction between low torque and too little dynamics has to be solved.
Aus jeder der
Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die
Es besteht somit die technische Aufgabe in der Optimierung bei der Auslegung von elektrischen Maschinen, die einerseits eine hohe Drehzahl und andererseits eine hohes Drehmoment aufweisen müssen, ohne die vorgegebenen Rahmenbedingungen, wie Spannungsversorgung, Strombegrenzung oder einfache Regelungsverfahren, verändert werden müssen.Thus, there is the technical problem in the optimization of the design of electrical machines, which must have a high speed on the one hand and high torque on the other hand, without the given conditions, such as power supply, current limitation or simple control procedures must be changed.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch eine elektrische Maschine mit einem Stator und einen im Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei eine Spindel durch die elektrische Maschine geführt ist, und mindestens eine in die elektrische Maschine einbringbare magnetflussleitende Baugruppe vorgesehen ist, wobei die magnetflussleitende Baugruppe linear verlagerbar auf der Spindel angeordnet ist, um infolge einer Verlagerung in die elektrische Maschine eine Motorkonstante der elektrischen Maschine zu variieren.The object is achieved in particular by an electric machine with a stator and a rotor rotatably mounted in the stator, wherein a spindle is guided by the electric machine, and at least one insertable into the electrical machine magnetflussleitende assembly is provided, wherein the magnetic flux conducting assembly linearly displaceable is arranged on the spindle to vary as a result of a shift in the electric machine, an engine constant of the electric machine.
Durch ein Vorsehen der elektrischen Maschine ist eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine erreichbar. Hierzu wird die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine verlagert. Über eine Drehbewegung der elektrischen Maschine wird eine Veränderung der Motorkonstante bewirkt, die in Abhängigkeit der zu treibendenden Last ein optimales Maschinenverhalten hervorruft.By providing the electric machine, a change in the motor constant of the electric machine can be achieved. For this purpose, the Magnetically conductive assembly moves into the electrical machine. A rotational movement of the electric machine causes a change in the motor constant, which causes optimum machine behavior as a function of the load to be driven.
Bevorzugt lässt sich die magnetflussleitende Baugruppe wieder aus der elektrischen Maschine heraus verlagern. Dabei lässt sich wieder eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine erzielen.Preferably, the magnetic flux-conducting assembly can be relocated out of the electrical machine again. In this case, a change in the motor constant of the electric machine can be achieved again.
Vorzugsweise ist eine elektrische Maschine eine in der elektrischen Energietechnik eingesetzte Maschine und stellt eine Form von Energiewandlern dar. Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein elektro-mechanischer Energiewandler oder eine permanentmagneterregte Synchronmaschine.Preferably, an electric machine is a machine used in electrical energy technology and represents a form of energy converters. The electric machine is preferably an electro-mechanical energy converter or a permanent magnet-excited synchronous machine.
Vorzugsweise ist unter einer Verlagerung eine Verschiebung zu verstehen. Bevorzugt erfolgt die Verlagerung linear, d. h. in einer axialen Längsrichtung der Spindel. Besonders bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine verlagerbar, einschiebbar, einbringbar oder einführbar.Preferably, a displacement is to be understood as a displacement. Preferably, the displacement is linear, d. H. in an axial longitudinal direction of the spindle. Particularly preferably, the magnetic flux-conducting assembly is displaceable, insertable, insertable or insertable into the electric machine.
Bevorzugt bewirkt eine Drehbewegung der elektrischen Maschine eine Veränderung der Motorkonstante. In Abhängigkeit der zu treibendenden Last wird ein optimales Maschinenverhalten hervorgerufen.Preferably, a rotational movement of the electric machine causes a change in the motor constant. Depending on the load to be driven, an optimal machine behavior is produced.
Je weiter die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine eingeschoben wird, desto größer ist die Motorkonstante. Bei einer vollständig in die elektrische Maschine eingeschobenen magnetflussleitenden Baugruppe ist ein großes maximales Drehmoment bei einer kleinen maximalen Drehzahl erzielbar.The further the magnetic flux-conducting assembly is inserted into the electrical machine, the greater the motor constant. In a completely inserted into the electrical machine magnetic flux conducting assembly a large maximum torque at a small maximum speed can be achieved.
Ist die magnetflussleitende Baugruppe nicht in die elektrische Maschine eingeschobenen, ist die Motorkonstante kleiner. Hier ist ein kleineres maximales Drehmoment bei einer hohen maximalen Drehzahl zu erwarten.If the magnetic flux-conducting module is not pushed into the electrical machine, the motor constant is smaller. Here is a smaller maximum torque at a high maximum speed expected.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die magnetflussleitende Baugruppe eingerichtet, infolge einer Drehung der Spindel relativ zur elektrischen Maschine verlagert zu werden.In one embodiment of the invention, the magnetic flux conducting assembly is adapted to be displaced due to rotation of the spindle relative to the electric machine.
Damit lässt sich die magnetflussleitende Baugruppe auf diese Weise lässt sich in Richtung zur elektrischen Maschine verlagern.This allows the magnetic flux-conducting assembly in this way can be relocated in the direction of the electric machine.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die magnetflussleitende Baugruppe mittels mindestens einer mechanischen Koppelung verlagerbar auf der Spindel angeordnet.In a further embodiment according to the invention, the magnetically flux-conducting assembly is arranged displaceably on the spindle by means of at least one mechanical coupling.
Infolge einer Drehbewegung der Spindel ist die magnetflussleitende Baugruppe auf einfache Weise linear auf der Spindel verlagern.As a result of a rotational movement of the spindle, the magnetic flux-conducting assembly is easily linearly displaced on the spindle.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Spindelmutter linear verlagerbar auf der Spindel angeordnet.In one embodiment of the invention, a spindle nut is arranged linearly displaceable on the spindle.
Vorzugsweise ist die Spindelmutter eingerichtet, eine Drehung der Spindel infolge einer linearen Verlagerung der Spindel, zu erzeugen. Infolge der linearen Verlagerung der Spindelmutter ist die magnetflussleitende Baugruppe in Richtung der elektrischen Maschine verschiebbar. Bevorzugt ist die Spindelmutter als ein Planetenwälzgetriebe ausgebildet.Preferably, the spindle nut is arranged to generate a rotation of the spindle due to a linear displacement of the spindle. As a result of the linear displacement of the spindle nut, the magnetic flux-conducting assembly is displaceable in the direction of the electric machine. Preferably, the spindle nut is designed as a Planetenwälzgetriebe.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die magnetflussleitende Baugruppe einen zylinderförmigen Körper auf, der
- – entlang einer inneren Mantelfläche des Rotors verschiebbar ist und/oder
- – entlang einer äußeren Mantelfläche des Stators verschiebbar ist.
- - Is slidable along an inner circumferential surface of the rotor and / or
- - Is displaceable along an outer circumferential surface of the stator.
Damit ist eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine auf einfache Weise erzielbar. Die magnetflussleitende Baugruppe ist derart in die elektrische Maschine verschiebbar, wobei eine Drehbewegung der elektrischen Maschine eine Veränderung der Motorkonstante bewirkt, die in Abhängigkeit der zu treibendenden Last ein optimales Maschinenverhalten hervorruft.For a change in the motor constant of the electric machine can be achieved in a simple manner. The magnetically flux-conducting assembly is displaceable into the electric machine, wherein a rotational movement of the electric machine causes a change in the motor constant, which causes optimal machine behavior as a function of the load to be driven.
Vorzugsweise ist die magnetflussleitende Baugruppe zwischen dem Rotor und der Spindel einbringbar. Bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe über die äußere Mantelfläche des Stators schiebbar. Besonders bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe zwischen einer Gehäusewandung der elektrischen Maschine und dem Stator einbringbar.Preferably, the magnetic flux-conducting assembly between the rotor and the spindle can be introduced. Preferably, the magnetic flux-conducting assembly is slidable over the outer surface of the stator. Particularly preferably, the magnetic flux-conducting assembly between a housing wall of the electric machine and the stator can be introduced.
Bevorzugt ist die magnetflussleitende Baugruppe eine Hülse oder ein Flussrückschlussblech. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die elektrische Maschine einen Freilauf auf, um bei einer Drehung der Spindel ihre Position beizubehalten.Preferably, the magnetic flux-conducting assembly is a sleeve or a flux return plate. In a further embodiment of the invention, the electric machine has a freewheel to maintain its position upon rotation of the spindle.
Damit ist die elektrische Maschine unabhängig von Relativbewegungen der magnetflussleitenden Baugruppe positionierbar.Thus, the electric machine can be positioned independently of relative movements of the magnetic flux-conducting assembly.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch einen Aktor aufweisend eine elektrische Maschine, wie zuvor beschrieben.Furthermore, the object is achieved according to the invention in particular by an actuator having an electric machine, as described above.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Aktor ein Kupplungsaktor ein hydrostatischer Kupplungsaktor oder ein elektrischer Zentralausrücker. In one embodiment of the invention, the actuator is a clutch actuator, a hydrostatic clutch actuator or an electrical central release.
Auf diese Weise lässt sich eine Vielzahl verschiedener Aktoren verwirklichen, um eine Veränderung der Motorkonstante zu erzielen.In this way, a variety of different actuators can be realized to achieve a change in the motor constant.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Variation der Motorkonstant einer elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen im Stator drehbar gelagerten Rotor aufweist, wobei eine Spindel durch die elektrische Maschine geführt ist, und mindestens eine in die elektrische Maschine einbringbare magnetflussleitende Baugruppe vorgesehen ist, wobei die magnetflussleitende Baugruppe linear verlagerbar auf der Spindel angeordnet ist, den folgenden Schritt aufweisend:
- – lineares Verlagern der magnetflussleitenden Baugruppe in die elektrische Maschine infolge einer Drehung der Spindel während eines Betriebs der elektrischen Maschine.
- - linear displacement of the magnetic flux conducting assembly in the electric machine due to rotation of the spindle during operation of the electric machine.
Bevorzugt weist das Verfahren ferner den folgenden Schritt auf:
- – lineares Verlagern der magnetflussleitenden Baugruppe aus der elektrischen Maschine heraus infolge einer Drehung der Spindel während des Betriebs der elektrischen Maschine.
- - Linear displacement of the magnetic flux conducting assembly out of the electric machine due to rotation of the spindle during operation of the electric machine.
Bevorzugt weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf, um eine Drehung der Spindel zu erzielen:
- – lineares Verlagern einer Spindelmutter, die verlagerbar auf der Spindel angeordnet ist und
- – Verdrehung der Spindel infolge einer Verlagerung der Spindelmutter.
- - Linear displacement of a spindle nut which is arranged displaceably on the spindle and
- - Rotation of the spindle due to a displacement of the spindle nut.
Die Erfindung wird nun beispielhaft durch Figuren veranschaulicht. Es zeigen:The invention will now be exemplified by figures. Show it:
Die elektrische Maschine
Bei der elektrischen Maschine
Die geringe Motorkonstante sorgt für ein kleines maximales Drehmoment und eine hohe maximale Drehzahl.The low motor constant ensures a small maximum torque and a high maximum speed.
Die elektrische Maschine
Infolge der linearen Verlagerung der Spindelmutter
Damit lässt sich eine Motorkonstante der elektrischen Maschine
Die elektrische Maschine
Im Unterschied zur
Die magnetflussleitende Baugruppe
Durch ein Vorsehen der elektrischen Maschine mit der magnetflussleitenden Baugruppe wird eine erste Möglichkeit bereitgestellt, eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine zu erreichen.By providing the electrical machine with the magnetic flux-conducting assembly, a first possibility is provided to achieve a change in the motor constant of the electrical machine.
Dabei wird die magnetflussleitende Baugruppe in die elektrische Maschine verlagert, wobei eine Drehbewegung der elektrischen Maschine eine Veränderung der Motorkonstante bewirkt, die in Abhängigkeit der zu treibendenden Last ein optimales Maschinenverhalten hervorruft.In this case, the magnetic flux-conducting assembly is moved into the electric machine, wherein a rotational movement of the electric machine causes a change in the motor constant, which causes an optimal machine behavior depending on the load to be driven.
Die elektrische Maschine
Infolge der linearen Verlagerung der Spindelmutter
Damit wird eine Variante zur
Im Unterschied zur
Durch ein Vorsehen der elektrischen Maschine mit der magnetflussleitenden Baugruppe wird eine zweite Möglichkeit bereitgestellt, eine Veränderung der Motorkonstante der elektrischen Maschine zu erreichen. Der Effekte kann dadurch verstärkt werden, indem im Rotor und um den Stator gleichzeitig jeweils ein flussleitendes Element eingebracht wird.By providing the electrical machine with the magnetic flux-conducting assembly, a second possibility is provided for achieving a change in the motor constant of the electrical machine. The effects can be enhanced by simultaneously introducing a flux-conducting element into the rotor and around the stator at the same time.
Der Aktor
Infolge einer Betätigung der Elektronik
Ferner weist der Aktor
Die lineare Verlagerung der Spindelmutter
Zum anderen erfährt der Primärkolben
Der Aktor
Infolge des Verfahrens der Spindelmutter
Das Flussleitblech
Zusammenfassend lässt sich zu den
Bei einer vollständig in die elektrische Maschine
Ist die magnetflussleitende Baugruppe
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Aktoractuator
- 22
- elektrische Maschineelectric machine
- 33
- Statorstator
- 44
- Rotorrotor
- 55
- SpuleKitchen sink
- 66
- Magnetmagnet
- 77
- einfaches Rückschlussblechsimple return plate
- 88th
- magnetflussleitende BaugruppeMagnetically conductive module
- 99
- innere Mantelflächeinner jacket surface
- 1010
- äußere Mantelflächeouter jacket surface
- 1111
- Koppelungcoupling
- 1212
- Spindelspindle
- 1313
- PlanetenwälzgetriebePlanetenwälzgetriebe
- 1414
- Elektronikelectronics
- 1515
- Linearsensorlinear sensor
- 1616
- Bordnetzboard network
- 2020
- Primärkolbenprimary piston
- 2121
- GeberzylinderMaster cylinder
- 2222
- Nehmerzylinderslave cylinder
- 2323
- Hydraulikhydraulic
- 2424
- Ausrücklager mit KupplungReleaser with clutch
- 3030
- Arbeitspunktworking
- 3131
- maximales Drehmoment durch Strombegrenzungmaximum torque due to current limitation
- DD
- Drehrichtungdirection of rotation
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